晶元科技：材料的進步可能穿刺硅光學的障礙

05-29

薄的碲化鉬薄膜可以直接「附著」到標準矽片上，該矽片用於產生和檢測與襯底相容的波長的紅外光。

我們無處不在的電光轉換（及其補充）嵌入我們無處不在的硅基集成電路與高速光學互連的目標可能更接近現實。有人研究出過一種方法，使用複雜的材料彌補差距，克服硅中自然存在的障礙，光發射/俘獲和光波長。

研究人員在他們發表的文章「用於硅光子集成電路的基於MoTe2的發光二極體和光檢測器」中提供了大量的補充信息。潛在的材料問題是，儘管硅具有許多奇妙的電氣和機械特性，但與光學要求不兼容。大多數半導體材料在可見光範圍內發光，硅吸收這些波長的光。

他們開發了一種基於雙層二硫化鉬（MoTe2）的P-N結的硅波導集成光源和光電探測器，這是一組稱為二維過渡金屬二硫族化合物（TMD）的超薄半導體。 MoTe2在紅外範圍內發射光，因此不被硅吸收。因此，它可以用於片上通信。

1.基於封裝的單層MoTe2的器件的草圖，其中分離的金屬柵極是200nm;薄片寬度約為5μm（a）。在源漏金屬電極蒸發前單層器件的光學圖像（b）。

為了將該材料用作發光體，研究人員首先必須將其轉化為P-N結二極體，這是通過將化學雜質引入基底材料來完成的。相反，2D二硫化鉬可機械附著到任何材料上;然後將電壓施加在並排放置在材料頂部的金屬柵電極上（圖1）。 Jarillo-Herrero教授指出：「所以通過使用由二硫化鉬製成的二極體，我們能夠製造與硅晶元兼容的發光二極體（LED）。」

該器件還可以配置為通過反轉施加到器件的電壓的極性而用作光電探測器。這導致它停止導電直到光線照在它上面，此時電流恢復。這樣，這些設備就能夠發送和接收光信號。

研究小組認為，這些新興的二維TMD可以提供一種開發可與硅光子學和CMOS處理集成的光學互連組件的方法（圖2）。大多數電信系統在1.3或1.5μm的光學波長下工作，而二硫化鉬發射1.1μm的光。這使它與硅晶元兼容，但不適合電信系統。出於這個原因，1.3- / 1.5-μm的發射和檢測波長將簡化光纖鏈路的製造。

2.用於測量p-n結（a）的時間響應的實驗裝置;雙層MoTe2 p-n結光響應，用於調製1 MHz的激光（b）; （c）和下降沿（d）的細節;測試裝置跨導放大器的頻率響應，在150 MHz（e）附近3 dB滾降。

為了實現這一目標，研究人員正在研究黑磷，這種超薄材料可以通過改變材料層數來「調整」以發射不同波長的光。通過這樣做，他們希望開發具有在這兩個波長發光的所需層數的器件，同時保持與硅的兼容性。

他們承認，該研究的結果得到了由國家能源部資助的能源前沿研究中心的支持，這是一個概念證明，遠不是商業化。儘管如此，「我們希望如果我們能夠通過光信號而不是電子信號進行片上通信，我們將能夠更快速地完成，而且功耗更低，」他補充道。